KR20070072875A - 캐비테이션 임계값 분석-제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음파발광이 일어나는 동안 광전자 방출 강도를 관찰해 처리액의 캐비테이션 특성을 분석하는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명에서, 광전자 방출은 저전력 음파에너지 세척과정에서 일어난다. 이런 광전자 방출은 안정된 캐비테이션 상태로부터 일어나고 안정된 캐비테이션은 MBSL이라고 본다.본 발명의 방법과 장치는 안정된 캐비테이션의 존재하에 광전자 방출을 측정하는데서 바람직하다. 광전자 방출정보를 피드백 루프에 사용하여, 생산 탱크내 음파변환기에 걸린 AC 전압신호의 전력값을 조절함으로써 미세한 기판의 표면 파손을 완화한다. 처리액의 압력변화 역시 캐비테이션 측정수단이다. 본 발명의 방법을 이용하는 장치는 처리액을 담아두기 위한 용기; 음파에너지를 용기내의 처리액에 전달하도록 배치되어 음파에너지를 일으키는 음파에너지 발생수단; 및 용기내의 처리액에 음파에너지에 의해 캐비테이션이 일어났을 때 이 캐비테이션을 검출하기 위한 캐비테이션 검출수단을 포함한다.

Description

캐비테이션 임계값 분석-제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CAVITATION THRESHOLD CHARACTERIZATION AND CONTROL}
본 발명은 세척을 위해 유체를 통해 전달되는 음파에너지를 이용하는 기술에 관한 것으로, 구체적으로는 음파에너지에 노출된 유체를 통해 빛을 전달하는 시스템에 관한 것이다.
역사적으로 물건에서 먼지 등을 제거하는 공업용 세척과정에 화학액을 많이 사용했다. 많은 경우, 1KHz~10MHz 주파수 범위의 음파에너지를 처리조에 가해 단기간에 먼지를 완벽히 제거함으로써 세척과정을 개선할 수 있음이 밝혀졌다. 음파에너지를 도금탱크에 가하면 화학액과 경계층이 잘 섞여 전기도금 과정을 개선할 수 있음을 보여주었다. 또, 음파에너지는 음극과 양극을 깨끗하게 유지하는데도 도움을 줌이 밝혀졌다.
이 과정에 사용되는 음파는 음장(sound field)의 주파수 범위에 따라 초음파나 메가소닉(megasonic)이 일반적이다. 사인파 AC 전압으로 압전 결정을 진동시키면 음파에너지가 생기는 것이 일반적이다. 결정은 AC 전압의 주파수로 결정된 속도에서 크기를 변화시킨다. 이런 주기적 크기변화가 기계적 진동이고, 이 진동에너지가 공진판을 통해 처리액에 전달되면 음파에너지가 생긴다. 결정은 일반적으로 공 진기인 전달부재에 단단히 접착되고, 공진기는 처리액과 접촉한다.
초음파세척은 표면이 복잡한 형상의 물체로서 내열성 기판 재료에 가장 알맞은 세척법이다. 초음파 주파수 범위는 내화학 표면에서 비교적 큰 입자를 제거하기에 적절하다. 메가소닉 세척은 열과 화학약품에 민감한 표면을 갖는 물체에 적합하고, 시각적 검사를 필요로 한다. 메가소닉 세척은 입자 크기가 0.3㎛ 미만일 때 적절한 세척법이다.
세척과정에서 입자를 제거하기 위한 주요 메커니즘이 음파 캐비테이션이다. 음장(acoustic field)에서, 처리액에 고압을 가하면 기포가 생긴다.
이런 압력진동으로 생기는 기포는 압력파의 사이클에 따라 수축팽창한다. 기포가 수축팽창하면서, 기체를 이루는 기체의 일부가 수축할 때는 처리액에 흡수되고 팽창할 때는 기포로 되돌아온다. 음파에서 생긴 압력차를 기포의 표면장력이 더이상 견딜 수 없을 때 기포가 파열된다.
음파 캐비테이션은 안정과 변동의 2가지가 있다. 안정된 캐비테이션에서는 기포가 대부분 기체로 가득차고 여러 음파 사이클에 걸쳐 아주 서서히 성장한다. 안정된 공동의 파열에서 방출된 에너지는 캐비테이션 변동시의 에너지보다 훨씬 작다. 캐비테이션 변동시에는 기포 안에 아르곤 기체가 들어있고 다른 기체는 거의 없다. 이런 기포는 몇 사이클도 안돼 크게 성장하고 파열되었을 때 훨씬 큰 에너지를 방출한다.
기포가 터지거나 파열될 때 방출되는 빛이 음파발광(sonoluminescence)이다. 파열 압력과 속도는 기포 내부의 기체 온도를 광전자를 방출시킬 정도로 충분히 높 인다. 음파발광으로 방출된 빛의 파장은 200nm~600nm 정도로서 자외선 파장 범위에 있는 특징을 갖는다.
음파발광 스펙트럼은 대략 가시광 스펙트럼의 중간쯤에서 시작하여 자외선 범위까지 연장한다. 음파발광은 주로 자연적으로 생기는 아르곤이 물에 용해되는데서 생긴다. 아르곤은 플라즈마의 주요 성분으로서 기포 파열시 광전자 방출에 중요하다. 기포의 크기가 진동하면서, 대부분의 기체상태의 질소와 산소 분자들은 압력사이클 변동과 함께 기포를 들락날락한다. 그러나, 아르곤은 그렇지 않기 때문에, 결국 기포 내부의 아르곤 농도가 대기중의 자연상태의 농도인 1%보다 크게 증가하게 된다. 따라서, 기포가 파괴되면, 기포내에 많이 존재하는 아르곤이 다른 희귀 기체와 함께 음파발광 성질을 보인다. 음파발광은 캐비테이션 변동상태와 관련이 깊고 안정된 캐비테이션에서는 일어나지 않는다고 한다.
캐비테이션 임계값은 캐비테이션이 크게 변하고 기포가 파손되기 시작하면서 광전자 형태의 에너지를 많이 방출하는 지점이다. 과거에는, 음압을 검출하는 하이드로폰(hydrophone)으로 알려진 센서를 사용해 캐비테이션 변동을 검출했는데, 이는 캐비테이션 변동시의 파열음이 센서의 고유 검출임계값보다 높은 소리에너지를 방출하기 때문이다. 그러나, 안정상태의 캐비테이션에서의 파열음은 훨씬 낮은 에너지를 방출하므로, 실제로는 하이드로폰으로 검출하기가 불가능하다.
캐비테이션을 측정하는 다른 방법은 국제특허출원 공개 WO 02/05465A1에 소개된 캐비테이션 셀을 이용하는 것이다. 캐비테이션 셀은 세척조에서 처리액 캐비테이션 출력을 직접 감지하는데 사용되고, 세척조가 잘 동작하고 있는지 어느 세척 조가 좋은지 등에 관한 일반정보를 수집하기에도 유용한 도구이다.
그러나, 캐비테이션 셀은 여러 문제가 있다. 예를 들어, 캐비테이션 셀은 동작중의 처리조내에 있을 수가 없는데, 이는 탐침이 측정할 에너지장 안에 있어야만 하고 세척할 물건도 에너지장에 있어야 하기 때문이다. 또, 셀 내부의 처리액의 성질이 탱크내의 처리액의 성질과 같고 셀 내부의 기체가 데이터 재생에 영향을 주도록 보장해야 하지만, 셀의 형태상 이런 보장을 할 수 없다.
1990년대 초반, 처리액내에 떠있는 하나의 기포에 대한 실험을 한 결과 진동하는 기포가 음압 사이클마다 광전자를 방출함을 밝혀냈다. 이를 SBSL(Single Bubble Sonoluminescence)이라 한다. 많은 기포의 음장(sound field)은 음압사이클에 대해 하나의 기포와 동일한 반응을 보인다는 것이 이론적으로 입증되었다. 이런 현상을 MBSL(Multi-Bubble Sonoluminescence)라 하고, 음파로 세척하는 탱크에서 발견되는 상태이다. MBSL 광전자방출 스펙트럼을 측정했더니 SBSL과 비슷함이 밝혀졌다.
기판 표면 가까이에서 파괴되는 기포는 국부적으로 매우 높은 압력과 열을 가해 기판을 구조적으로 파손시킬 수 있다. 캐비테이션 파열음이 내는 에너지는 압력은 50~150 기압이고 온도는 5,500°K이다. 캐비테이션 파열로 방출된 에너지에 노출되는 것은 정밀구조의 소자 표면의 부식파손의 주원인이다. 상당히 높은 수율로 비교적 낮은 파손을 보이는 세척과정이 개발되었지만, 캐비테이션 레벨을 기반으로 한 세척탱크내의 상태를 폐루프로 조절하기 위한 실시간 피드백은 부족하다.
최근의 세척장비는 장비 공급업자들이 캐비테이션이 없다고 광고하는 낮은 전력이나 높은 주파수를 갖는다. 이런 저전력 세척과정을 분석하여 캐비테이션 변동으로 인한 파손을 예방하거나 완화시키는 기술이 필요하다.
간단히 말해, 본 발명은 음파발광이 일어나는 동안 광전자 방출 강도를 관찰해 처리액의 캐비테이션 특성을 분석하는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명에서, 광전자 방출은 저전력 음파에너지 세척과정에서 일어난다. 이런 광전자 방출은 안정된 캐비테이션 상태로부터 일어나고 안정된 캐비테이션은 MBSL이라고 본다.
본 발명의 방법과 장치는 안정된 캐비테이션의 존재하에 광전자 방출을 측정하는데서 바람직하다. 광전자 방출정보를 피드백 루프에 사용하여, 생산 탱크내 음파변환기에 걸린 AC 전압신호의 전력값을 조절함으로써 미세한 기판의 표면 파손을 완화한다. 처리액의 압력변화 역시 캐비테이션 측정수단이다.
본 발명의 방법을 이용하는 장치는 처리액을 담아두기 위한 용기; 음파에너지를 용기내의 처리액에 전달하도록 배치되어 음파에너지를 일으키는 음파에너지 발생수단; 및 용기내의 처리액에 음파에너지에 의해 캐비테이션이 일어났을 때 이 캐비테이션을 검출하기 위한 캐비테이션 검출수단을 포함한다.
본 발명의 방법은, 용기에 들어있는 일정량의 처리액을 특정 전력값과 주파수에서 음파에너지에 노출시키는 단계; 일정 시간동안에 걸친 처리액의 광전자 출력을 측정하는 단계; 및 광전자출력이 원하는 값에서 벗어났을 때, 광전자출력을 원하는 값으로 유도하는 교정단계를 포함한다.
연구분야에서는 온도, 화학성분이나 농도, 용해기체 농도, 대기압, 음파에너지의 세기와 같은 물리적 인자가 음파발광 처리액의 캐비테이션 특성에 미치는 영향을 연구하는데 본 발명이 이용된다. 캐비테이션 특성을 표면파손, 도금효과 또는 다른 일반적인 음파발광 처리효과에도 연계할 수 있다.
상용분야로 화학적 세척이나 도금과 같은 음파발광 처리를 음향학적으로 개선하는데 본 발명을 이용할 수 있다. 세척의 경우, 처리조의 조기교환으로 인한 화학약품 낭비를 줄이고 처리조의 늦은 교환으로 인한 PRE(particle removal efficiency) 저하를 방지함은 물론 입자파손 구조로 인한 생산손실을 예방하는데 본 발명을 이용한다. 본 발명을 이용하면 캐비테이션 변동으로 인한 파손을 피할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 캐비테이션 분석시스템의 블록도;
도 2는 본 발명에 따른 캐비테이션 셀의 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 3가지 처리액에 대한 광전자수:전력밀도의 그래프;
도 4는 본 발명에 따른 다른 캐비테이션 셀의 단면도.
도 1의 캐비테이션 분석시스템(10)은 캐비테이션 셀(14), 음파변환기(18) 및 센서(22)를 구비한다. RF 제너레이터와 같은 전원(26)에서 음파변환기(18)에 전력을 공급한다. 마이크로컴퓨터(30)가 전원(26)을 통제하고 센서(26)에서 데이터를 수집한다. 유체용기(34)에서 셀(14)로 처리액이 공급된다.
캐비테이션 셀(14)는 빛이 새지 않는 작은 공간으로서, 처리액은 이곳을 통 해 화살표(38) 방향으로 흐른다. 따라서, 셀(14)의 내부에는 변환기(18)에서 생긴 음장(acoustic field)에 의해 캐비테이션을 일으키는 처리액이 들어있다. 처리액은 부근의 용기(34)에서 나오거나 생산장비내 탱크에서 나온다. 캐비테이션 셀(14)은 초당 10회 정도로 낮은 광전자 방출도를 검출할만큼 암실상태를 유지해야 한다. 또, 센서(22)를 파손시키는 것을 방지하거나 센서의 배경 잡음 증가를 막기 위해 셀은 사용하지 않을 때에도 암실상태를 유지해야 한다.
적용상태나 시험조건에 따라 유체 시험변수를 원하는대로 관리하거나 조절할 수 있도록 셀(14)에 구멍을 여러개 뚫는다. 이런 구멍으로는 셀(14)에 유체를 출입시키기 위한 입구(42)와 출구(44)는 물론, 처리액 표면 위의 대기압을 조절하기 위한 압력조절구(48)와, 셀(14)의 윗쪽에 모이는 기체를 제거하기 위한 환기조절구(52)가 포함된다. 한편, 셀(14)의 수위를 조절하기 위한 구멍이나, 처리액의 다른 특징을 측정하기 위한 센서를 넣고 뺄 수 있는 구멍도 있을 수 있다. 유체의 특성의 측정을 광전자방출도와 연계시키는 것은 본 발명의 목적과 관련이 있다.
도 1의 전원(26)은 발전기의 일종으로 사인파 형태의 전기에너지를 생산하되, 이 에너지는 모니터중인 특정 처리과정에 맞는 주파수와 크기를 갖는다. 따라서, 전원(26)과 음파변환기(18)는 관찰되는 처리과정에 맞도록 설계된다. 본 실시예에서 전원(26)의 동작 주파수는 1MHz 정도이다. 주파수 0.4~2.0 MHz 정도의 RF 전압을 만들 수 있는 1000와트 RF 발전기를 전원(26)으로 사용할 수 있다. 그러나, 분석시스템(10)은 유체내에서 음향 캐비테이션을 관찰할 수 있기만 하면 2.0~5.0 MHz를 포함한 어떤 주파수도 사용할 수 있으므로, 다양한 종류의 전원(26)을 사용 할 수 있다.
동작중에, 전원(26)에서 나온 사인파형 AC 전압에 의해 결정(116)이 진동하면, 구동 AC 전압과 공명하여 수축팽창한다. 이런 크기 변화 자체가 기계적 에너지로서 공진기(118)를 통해 공동(84)내 처리액에 전달된다. 이런 에너지전달로 처리액에 음장이 생긴다. 처리액에 음파에너지를 공급하는데 다른 에너지원을 사용하기도 하는데, 전자기장을 일으키는 수단이나 음장을 만드는 기계식 수단을 사용할 수 있다. 또, 여러대의 변환기를 독립적으로나 연결하여 사용할 수도 있다.
마이크로컴퓨터(30)는 처리액에서 나온 빛에 대한 센서(22)의 데이터를 수집하는 컴퓨터 기능을 한다. 마이크로컴퓨터(30)는 셀(14) 내부의 음장의 세기를 조절하는데에도 이용되는데, 전원(26)을 통해 변환기(18)나 기타 에너지 결합기구에 가해진 에너지(전기에너지 포함)를 조절하여 이루어진다. 통상, 광전자방출도는 음파에너지의 레벨로 센서(22)에서 측정되고, 마이크로컴퓨터(30)에서 이 데이터를 수집한다. 마이크로컴퓨터(30)는 이 데이터를 분석하여 정량적이고 정성적인 정보를 출력하는데, 도 3의 그래프가 일례이다. 프로토타입 시스템에서 펜티엄을 탑재한 랩탑컴퓨터를 마이크로컴퓨터(30)로 사용했지만, 마이크로프로세서를 탑재한 다른 컴퓨터를 사용하기도 한다.
유체용기(34)에 관찰할 처리액이 들어있고, 물리화학적 인자의 대부분이 이곳에서 조절된다. (고체, 액체 또는 기체 상태의) 화학약품은 용기에 원하는대로 담을 수 있다. 연구분야에서는 캐비테이션 거동을 연구할 처리액을 담아두고 조절하는 장소일 뿐이고, 생산분야에서는 처리인자를 능동적으로 감시하고 피드백 정보 로 조절하는 저장용기이다. 이 용기는 개폐 가능하다. 1기압 이외의 압력에서 처리액을 연구하는데 셀을 이용할 경우, 용기를 닫아 가압해야 할 것이다.
실제로는 처리탱크마다 다른 처리액을 사용한다. 많은 처리액의 정확한 성분은 처리액을 제조하는 회사만 알고있다. 그러나, 대부분의 처리액은 증류수나 정제수와, 수산화암모늄, 과산화수소, 염산, 질산, 아세트산, 불산 등의 수용액을 포함한다. 공통으로 사용되는 처리액 성분을 SC-1, SC-2라 한다.
케미컬 주입블록(64)은 처리액의 화학성분을 유지하는데 사용되는 케미컬 전달시스템이다. 예를 들어, 처리액내의 수산화암모늄이나 과산화수소의 농도를 블록(64)을 통해 보충할 수 있다. 마찬가지로, 기체 주입블록(64)은 처리액에 용해되는 기체의 용해도를 증가시키는 기체 주입시스템이다. 예를 들어, 처리액내 산소의 농도를 블록(66)을 통해 보충할 수 있다.
온도조절블록(68)은 용기(34)내 처리액의 온도를 조절하기 위한 시스템이다. 처리액이 시스템(10)의 셀(14)과 다른 부분을 통과하도록 하는 펌프(72)를 사용한다. 탈기장치(74)는 처리액에 용해된 공기 등의 기체를 제거하기 위한 장치이다. 용해기체 모니터(76)는 샘플링 스테이션(78)에서 처리액내의 산소나 아르곤 등의 용해기체의 레벨을 측정하기 위한 장치이다.
압력조절블록(54)은 처리액 표면에 걸린 기압을 조절하는 장치로서, 정압을 걸어주는 압력조절기나 부압을 걸어주는 진공펌프 등이 포함된다. 1기압이 아닌 압력에서의 동작은 펌프동작에 영향을 주고 다른 유체 조작은 본 발명의 범위를 벗어날 수 있다고 본다. 셀(14)과 센서(22)의 설계에 있어서 대기압이 아닌 압력이 작 용할 때 특수한 처리를 필요로 한다. 필요하다면 환기구(58)와 관련 장비를 사용해 기체부산물을 빼낼 수 있다. 이런 환기구는 수위를 탐색하고 조절하는데에도 사용된다.
도 2는 속이 빈 원통형 셀(14)의 단면도로서 셀을 자세히 보여준다. 셀(14)은 빛과 액체가 새지 않아야 한다. 공동(84)은 셀(14)의 내부 공간으로서 처리액이 흐르는 공간이다. 아랫쪽 구멍(86)은 마개를 끼우는 구멍으로서 입구(42)를 형성하고, 이곳을 통해 처리액이 공동(84)에 들어간다. 윗쪽 구멍(88)은 마개를 끼우는 구멍으로서 출구(44)를 형성하고, 이곳을 통해 공동(84)과 셀(14)에서 처리액이 나간다. 상단 커버(90)가 나사(92,94)로 고정되고, O링(98)에 의해 유체가 새지 않는다.
센서(22)는 캐비테이션이 일어날 때 셀(14) 내부의 처리액에서 방출된 빛을 감지하는 수단으로서(즉, 음파발광 sonoluminescence), 아주 낮은 광전자 방출도(초당 100개 정도의 광전자)를 감지할 수 있는 PMT(광전자증배관; photomultiplier tube)이 적당하다. 예를 들어, 미국 뉴저지의 일렉트론 튜브에서 제작한 모델넘버 P25232를 센서(22)로 사용할 수 있다. 광전자증배관의 창(100)을 통해 빛이 들어간다. 광전자증배관에 자외선을 들여보내는 재질로 된 창(100)이 달린 광전자증배관을 구입한다.
센서(22)를 셀(14)의 구멍에 RL우고 나사(102,104)와 장착링(106)으로 고정한다. O링(108)을 이용해 센서(22)를 밀폐상태로 유지한다. 창(100)에 렌즈커버(112)를 씌워 처리액의 화학반응에서 창을 보호한다. 렌즈커버(112)는 센서에 자 외선을 투과시킬 수 있는 합성사파이어를 사용하지만, 다른 재료를 사용할 수도 있다.
센서(22) 이외에 다른 센서를 시스템(10)에 설치할 수도 있다. 예를 들어, 캐비테이션 기포가 존재하면서도 광전자 방출은 없을 때에도 빛의 산란을 관찰하는 레이저를 추가할 수 있다. 하이드로폰(hydrophone)와 같은 감지장치를 셀(14)에 추가해, 여러 센서로부터 데이터를 수집할 수 있다. CCD 어레이를 사용해 음파발광 효과를 찍고, 레이저를 이용해 캐비테이션 기포에 의한 빛의 산란을 감지하기도 한다.
음파변환기(18)는 음파에너지를 만드는 수단으로서, 전기에너지를 셀(14) 안의 처리액에서 음파로 변환한다. 이 변환기(18)는 PZT(Lead Zirconate Titanate)와 같은 재료로 된 압전결정(116)을 포함하고, 이것은 공진기(118)에 접착된다. 한쌍의 전기커넥터(120)와 인쇄회로기판(122)을 통해 전원(26)이 RF 전력선(124)에 연결되는데, 이에 대해서는 미국특허 6,431,908에 소개된바 있다. 공진기(118)를 지지하는 것이 접지/클램프 링(125)이다.
미국특허 6,722,379, 6,188,162 및 6,222,305에 소개된대로 인듐을 사용해 공진기(118)에 결정(116)을 붙이고, 공진기(118)는 화학적으로 불활성인 재료,구체적으로는 PFA(fluorinated polymer perfluoroalkoxy)로 코팅된 알루미늄이나 스테인리스 강으로 이루어진다. 그러나, 공진기(118)와 결정(116)을 붙이는데 미국특허 4,804,007에 소개된대로 에폭시를 사용할 수도 있다.
센서(18)를 하단 커버(128)에 설치하고, 이 커버는 셀(14)에 끼우되 고장수 리를 위해 셀에서 분리할 수 있도록 한다. 커버(128)는 O링(130)에 의해 유체가 새지 않도록 된다. 커버(128)를 제자리에 설치하면 공진기(118)가 처리액과 직접 접촉된다. 한편, 셀(14)의 측벽에 결정(116)을 붙이기도 한다.
셀(14)은 처리액과 화학적 반응을 하지 않으면서 빛을 통과시키지 않는 물질로 이루어진다. 예를 들어, 처리액과 접촉하는 모든 표면을 화학적 불활성 물질인 PFA로 코팅한 스테인리스강이나 알루미늄과 같은 금속으로 셀(14)을 만들 수 있다. 코팅 기능을 하는 다른 화학적 불활성 물질로는 PTFE(fluorinated polymers polytetrafluoroethylene), FEP(fluorinated ethylene-propylene), TFE(tetrafluoroethylene)는 물론, Teflon이란 상표를 붙인 물질, Halar란 상표로 판매되는 물질을 포함한 ECTFE(fluorinated polymer ethylene chlorotrifluoroethylene), Kynar란 상표로 판매되는 물질을 포함한 PVDF(fluorinated polymer polyvinylidene fluoride) 등이 있다. 마찬가지로, 이들 화학적 불활성 물질로 공진기(118)도 코팅할 수 있다.
경우에 따라서는 셀(14) 내부 공동(84)의 형상을 다르게 할 필요도 있고, 셀(14) 내부의 음파에너지 흐름을 관리하기 위해 내부 구조를 다르게 하기도 한다. 처리액의 표면이 변환기(18)의 표면과 평행하지 않도록 하여 처리액 표면에서 반사된 음파가 변환기로 직접 되반사하지 않도록 셀(14)을 기울이는 것도 이 범주에 포함된다. 어떤 경우에는 방형파를 감쇠하거나 죽이기 위해 음파 흡수물질을 사용할 수도 있다. 또, 내부 형상과 구조적으로 방형파를 만들어야 할 때도 있다.
한편, 셀(14)은 기본적으로 도 1의 구조에서 바꿀 수도 있다. 중력과 유압을 거슬러 음장을 걸어주면 다른 조건의 기포를 관찰할 수 있다. 나란히 배치한 구성도 가능하다.
도 3은 시스템(10)에서 구할 수 있는 데이터를 보여준다. 도 3은 3가지 처리액에 대한 양자수와전력밀도의 관계를 로그함수로 표시한 그래프이다. 선(120)은 전원(26)이 주파수 1 MHz의 AC 전압을 공급할 때 정제수의 음파발광 거동을, 선(122)은 전원(26)이 주파수 2 MHz의 AC 전압을 공급할 때 정제수의 음파발광 거동을, 선(124)은 전원(26)이 주파수 1 MHz의 AC 전압을 공급할 때 SCI 처리액(정제수, 과산화수소 및 수산화암모늄을 100:2:1로 섞은 용액)의 음파발광 거동을 각각 보여준다.
도 3은 처리액내의 캐비테이션 특징에 관한 중요한 사항을 보여준다. 먼저, 124에서 전력밀도 2.0 watts/㎠ 부근에서 처리액에서 나온 빛이 급상승한다. 광출력 급상승 지역의 바닥인 128 지점(1.9watts/㎠)은 처리액내 캐비테이션이 크게 변하는 지점으로서, 캐비테이션 임계점을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 캐비테이션 변동과정중에 처리액내의 캐비테이션의 극격한 붕괴가 있으면 광전자 형태로 높은 에너지 방출이 생긴다고 한다. 따라서, 128 지점 우측은 캐비테이션 변동구역이고, 좌측은 캐비테이션 안정구역이다. 캐비테이션 안정상태에서 처리액에서 눈에 띄는 광전자량의 방출이 일어난다는 사실은 이전에는 보고된바 없지만, 본 발명은 이 현상을 상업적으로 적용한 첫번째 경우일 것이다. 안정된 캐비테이션이 이런 전력 구역에서 일어난다는 사실도 새로운 것이다.
도 4는 도 2에 도시되 것과는 다른 셀(14)의 단면도로서, 하이드로폰(140)과 음향조절판(144)을 더 구비한다.
하이드로폰(140)은 전력을 조금씩 높이면서 공동(84)내 처리액의 압력을 측정하는 수단이다. 하이드로폰(140)에서 측정한 압력은 처리액이 아주 낮은 압력을 받는 동안 아주 낮은 전력에서 측정되고 있는 자외선이 출력되고 이는 캐비테이션이 안정상태임을 확인하는데 이용된다.
음향조절판(144)은 셀(14)의 상단에서 음파에너지(소리)를 흡수하여 음파의 반사를 없애거나 줄이는데 사용된다. 일반적인 음파에너지 세척기에서, 음파에너지는 1.5 km/sec의 속도로 진행하다가 탱크 부근에서 아주 빨리 튄다. 이런 탱크의 대부분의 구역은 음파변환기에서 생긴 원래의 소리에너지와 음파의 반사파 둘다에 노출된다. 이런 상태에서 처리액의 SL 광출력을 이해해야만, 음향조절판(144)이 없는 도 2의 셀의 동작이 이 동작을 모방함을 알 수 있다.
그러나, 경우에 따라서는, 처리액에 소리에 어떻게 반응하는지 정확히 연구하는 것이 좋을 수 있다. 이런 경우, 셀(14)이 (반사파가 없는) 싱글패스의 음파를 연구할 수 있는 환경을 제공해야만 한다. 도 4의 음향조절판(144)은 셀의 단부에서 소리를 흡수하고 반사는 방지한다. 처리액이 이런 싱글패스 음파에 노출되면 SL 광출력과는 다른 출력을 낸다.
도 3의 그래프는 SCI 처리액내의 캐비테이션이 임계값 밑에 있는 상태이다. 예를 들어, 전력밀도를 1.9watts/㎠ 밑으로 유지하면 캐비테이션이 안정상태에 있다. 예를 들어, 캐비테이션 변동중에 방출된 엔지가 처리액으로 세척중이거나 처리중인 물건에 손상을 주거나 캐비테이션 변동이 다른 이유로 바람직하지 않은 상태 가 전술한 상태이다. 120 선과 122 선은 124 선과 비슷하되, 광출력의 급반등 구역이 약간 이동했다. 120 선과 122 선을 비교하면 전원의 주파수가 처리액의 캐비테이션 특성에 영향을 줌을 알 수 있다.
도 3에 표시된 처리액의 음파발광 거동은 처리액의 캐비테이션을 조절하는 방법, 구체적으로는 처리액이 캐비테이션 변동상태가 아닌 안정상태에 있도록 하는 방법을 제공한다. 이 방법은 아래 단계를 포함한다:
a) 일정량의 처리액을 특정 전력 레벨에서 음파에너지에 노출시키는 단계;
b) 일정 시간동안에 걸친 처리액의 광전자 출력을 측정하는 단계; 및
c) 광전자출력이 원하는 값에서 벗어났을 때, 광전자출력을 원하는 값으로 유도하는 교정을 시작하는 단계.
이 과정은 도 1~2의 셀(14)을 이용해 이루어진다. 초기에는 특정 처리액에 대해 도 3의 그래프를 그리고, 원하는 정도의 안정된 캐비테이션을 내는 조건을 표시한다. 예를 들어, 도 3에서는 SCI 처리액에 대해 전력밀도가 1watts/㎠인 조건을 선택할 수 있다. 이 지점에서, 광전자수는 초당 1500개 정도로서 본 발명의 방법에 적당한 출력량이다.
SCI 처리액을 이용한 생산라인에 있는 음파에너지 처리탱크내의 조건을 앞에서 결정된 레벨로 설정한다(예; 반도체 웨이퍼 세척탱크내 음파변환기가 1 watt/㎠에서 구동되도록 설정함). 이어서, 음파에너지 처리탱크에서 SCI 처리액을 계속해서 입구(42)를 통해 셀(14)에 들어가게 한다. 처리액은 공동(84)을 통과하여 출구(44)를 나가는데, 그동안 변환기(18)는 이동중인 처리액에 음파에너지를 전달한 다. 그 결과 처리액에서 나오는 빛이 센서(22)에 의해 검출된다. 광출력이 초당 1500회를 벗어나면, 경보를 내고 교정단계를 취한다.
교정단계는 단순히 과정을 중단하는 것일 수 있다. 한편, 캐비테이션 조건을 원하는 값으로 (광전자수로 표시된 조건으로) 되돌리려는 시도로 처리인자가 바뀔 수도 있다. 처리인자는 도 1과 관련해 전술한 인자들을 포함한다. 예컨대, 기체주입블록(66)을 사용해 처리액내의 기체 농도를 바꾸거나, 온도조절블록(68)을 사용해 처리액의 온도를 바꾸거나, 케미컬 주입블록(64)을 사용해 처리액의 화학물 조성을 바꾸거나 한다. 한편, 전원(26)의 주파수나 출력을 바꾸기도 한다.
이상 설명한 방법을 이용하는 장치는 빛이 새지 않게 처리액을 담아두는 셀(14)과 같은 용기; 음파에너지를 용기내의 유체에 전달하도록 배치되어 음파에너지를 일으키는 변환기(18)와 같은 음파에너지 발생수단; 및 용기내의 유체에 음파에너지에 의해 캐비테이션이 일어났을 때 이 캐비테이션을 검출하고 측정하기 위한 센서(22)와 같은 캐비테이션 검출수단을 포함한다. 캐비테이션 검출수단으로는 광전자증배관과 같은 감광수단이 바람직하다. 그러나, 경우에 따라서는 처리액의 압력변화를 이용해 캐비테이션을 검출하거나 측정할 수도 있는데, 하이드로폰(140)도 캐비테이션 검출수단의 일례이다.
본 발명의 장치의 다른 특징은, 음파에너지 발생수단에 가변적인 전력을 공급하기 위한 전원(26)과 같은 발전수단; 처리액에서 방출된 빛에 관한 데이터를 감광수단에서 수집하기 위한 컴퓨터(30); 케미컬 주입블록(64); 기체 주입블록(66); 온도조절블록(68); 및 용해기체 모니터(76)에 있다. 또다른 특징은 용기에 처리액 을 주입하기 위한 펌프(72)와 같은 처리액 주입수단; 처리액에 용해된 기체의 농도를 측정하기 위해 처리액 주입수단과 연계된 기체모니터(76); 및 처리액의 온도를 조절하기 위한 온도조절블록(68)과 같은 온도조절수단에 있다.

Claims (10)

  1. 처리액내 캐비테이션을 분석하기 위한 장치에 있어서:
    처리액을 담아두기 위한 용기;
    음파에너지를 용기내의 처리액에 전달하도록 배치되어 음파에너지를 일으키는 음파에너지 발생수단; 및
    용기내의 처리액에 음파에너지에 의해 캐비테이션이 일어났을 때 이 캐비테이션을 검출하기 위한 캐비테이션 검출수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 검출수단이 감광수단인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 감광수단이 광전자증배관인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 검출수단이 압력측정수단인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 압력측정수단이 하이드로폰인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 음파에너지 발생수단이 압전결정인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 음파에너지를 흡수하기 위한 조절판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    음파에너지 발생수단에 가변 전력을 공급하기 위한 발전수단; 및
    처리액에서 방출된 빛에 관한 데이터를 상기 감광수단에서 수집하기 위한 컴퓨터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 처리액내 캐비테이션을 조절하는 방법에 있어서:
    a) 용기에 들어있는 일정량의 처리액을 특정 전력값과 주파수에서 음파에너지에 노출시키는 단계;
    b) 일정 시간동안에 걸친 처리액의 광전자 출력을 측정하는 단계; 및
    c) 광전자출력이 원하는 값에서 벗어났을 때, 광전자출력을 원하는 값으로 유도하는 교정단계;를 포함하되,
    상기 용기는 그 안에 들어있는 처리액에 음파에너지를 전달하도록 배치된 음파에너지 발생수단과, 음파에너지에 의해 용기내 처리액에 캐비테이션이 생겼을 때 처리액의 광전자 출력을 측정하기 위한 감광수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 교정단계에서 처리액의 온도를 바꾸거나, 처리액내 기체나 케미컬의 농도를 바꾸거나, 과정을 중단하거나, 규정된 전력값을 바꾸거나, 전력 주파수를 바꾸는 것을 특징으로 하는 방법.
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